超声波传感器测距原理

1、一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波 , 在发射时刻的 同时开始计时 , 超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来 , 超声波接收器 收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 v , 而根据计时器记 录的测出发射和接收回波的时间差 t , 就可以计算出发射点距障碍物的距离 S , 即:S = v·t / 2 这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波 , 其声速 C与温度有关 , 表1列出了几种不同温度下 的声速。在使用时 , 如果温度变化不大 , 则可认为声速是基本不变的。常温下超 声波的传播速度是 334 米/ 秒, 但其传

2、播速度 V 易受空气中温度、湿度、压强等 因素的影响 ,其中受温度的影响较大，如温度每升高 1 , 声速增加约 0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高 , 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是 采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度 T 时, 超声波传播速度 V 的计算 公式为：V = 331.45 + 0.607T 声速确定后 , 只要测得超声波往返的时间 , 即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。、系统硬件电路设计图2 超声波测距仪系统框图基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单

3、片机 是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机， 单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为 40kHz的 10 个脉冲信号加到超 声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束 后，单片机片内计数器开始计数 , 在检测到第一个回波脉冲的瞬间 , 计数器停止 计数，这样就得到了从发射到接收的时间差 t; 根据公式、计算出被测距 离, 由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路：1 、超声波发射电路超声波发射电路如图 3所示， 89C51通过外部引脚 P1.0 输出脉冲宽度为 250 s , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加

4、到超声波传感器而 发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比 , 为了使测距范围足够 远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效 应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射 ; 利用压电效应可以将作用 在它上面的机械振动转换为相应的电信号 , 从而起到能量转换的作用。市售的 超声波传感器有专用型和兼用型 , 专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用 作接收超声波。兼用型就是收发一体 , 只一个传感器头 , 具有发送和接收声波 的双重作用 , 称为可逆元件。U1 E4069 4069图 3 超声波发射电路超声

5、传感器结构超声波发生器 T是一个超声频电子振荡器 , 当把振荡器产生的超声频电压加 到超声换能器的压电陶瓷上时 , 压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动。 压电组件在超声振荡时 , 仿佛是一个小活塞 , 其振幅很小 , 约为（1 10. 2） Lm,但这种振动加速度很大 , 约（10 103 ） g n , 于是把电磁振荡能量转化为 振动能量 , 这种巨大的超声波能量 , 沿着特定方向传播出来。其关键技术是使 超声波波束变细 , 除待测物外不受其它构造物的影响。超声传感器是产生超声 波必需的能量转换装置 , 它把超声电磁振荡的能量转换为声波。 . 通过上述超声 换能结构 , 配以适当的收发电

6、路 , 可以使超声能量的定向传输 , 并按预期接收 反射波, 实现超声遥控、测距、防盗等检测功能 。232、超声波接收电路超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收 器接收反射的超声波转换为 40KHz毫伏级的电压信号 , 需要经过放大、处理、用 于触发单片机中断 INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同 信号大小变化较大 ,需要放大倍数大约为 100到5000倍, 另一方面传感器输出阻抗 较大, 这就需要高输入阻抗的多级放大电路 ,这就会引入两个问题 : 高输入阻抗容 易接收干扰信号 , 同时多级放大电路容易自激振荡。参考各种资料最后选用了 SONY公司

7、的专用集成前置放大器 CX20106达到了比较好的效果。CX20106由: 前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整 型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传 感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益 , 在近距离输入信号 强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚 5的外接电阻调节。其 主要指标:单电源5V供电，电压增益 77 - 79DB , 输入阻抗27 K , 滤波器中 心频率30 K- 60 KHz 。功能可描述为 : 在接收到与滤波器中心频率相符的信号 时,其输出脚 7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干

8、扰能 力很强。CX20106采用 8脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图 4。超声波接收器 能将接受到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十伏至数百伏的电信号， 送到CX20106的脚， CX20106的总放大增益约为 80dB，以确保其脚输出的控 制脉冲序列信号幅度在 3.55V 范内。总增益大小由脚外接的 R1、C1决定， R1 越小或 C1越大，增益越高。 C1取值过大时将造成频率响应变差，通常取为 1uf 。 C2为检波电容，一般取 3.3uf 。CX20106 采用峰值检波方式，当 C2容量较大时将 变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低， C2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬 态响应灵

9、敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错 而产生误操作。 R2为带通滤波器中心频率 f 0的外部电阻，改变 R2阻值，可改变 载波信号的接受频率，当 f 0偏离载波频率时，放大增益会显著下降， C3为积分 电容，一般取 330pf ，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码CX20106 处脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。脚为输出端，本系统中应用的接收电路见图 5 , 当89C51的 P1.7为高电平时三级管 V1导通， +5V电源通过继电器线圈和 V1的发射结到地，使继电器 K1接通， R2和R3并联组成5电阻通过 C1组成RC电路，控制红外接收专用

10、集成电路 CX20106的增益， 使其 7脚输出一定幅度的电压信号到 89C51的P0.2口以触发中断。另外该芯片价 格在三到五元 , 非常节省系统成本。16 / 12图5 超声波接收电路3、距离显示电路图 6 显示电路超声波显示电路如图 6所示。是利用单片机的串行输出。只用单片机的 TXD，RXD端即可显示数字。三、软件程序设计 本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程 序、显示子程序等模块组成，图 8为程序流程图。该系统的主程序处于键控循环 工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、 定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出

11、来。图8 软件程序框图定时器中断子程序外部中断服务子程序四、具体程序#include<reg51.h>#include<math.h>/* 定义数据类型 */#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/* 定义系统常数 */long int time; /* 时间 */bit CLflag; /* 测量标志 */char cshu; /* 串数 */#define T12us (256-12) /* 定时器设初值 T=( 256-T12us ) *12/12MHZ */ /* 定义功能位 ,串口用于显示 */

12、sbit VOLCK=P1.0; /* 发射 */sbit MING=P3.2; /* 外部中断 0 检测接收信号 */char idata disp9; /* 显示数据 */char idata number9; /* 显示数据 */char code table =0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;/* 码表 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 */void dispfb() /* 显示 5 位数据 */ char i;for(i=0;i<5;i+) dispi=tablenumberi; disp3=disp3+

13、1; /* 置小数点 */ for(i=0;i<6;i+) SBUF=dispi; while(TI=0); TI=0; /* 通用延时子程序 */void delay( int j ) int i; for(i=0;i<j;) i+; /* 初始化定时器 ,CTC0 、 CTC1 用于定时 */void init_CTC(void )TMOD = 0x21; /* 设 CTC1 工作于模式 2 */ET0 = 0;/* 不允许 CTC0 中断 */void init_INT( ) /* 外部中断初始化为高优先级，并开中断 */ IP=0x01; /* 置外部中断 INT0 优先级

14、为高 */TCON=0; /* 设置外部中断 0 的中断方式为电平触发 */ void serve_INT0( ) interrupt 0/* 外部中断 0 ，用于检测接收信号 */ TR0=0; /* 关闭定时器 0 */ EX0=0; /* 关中断 */time=(long)TL0; time+=(long)TH0*256;CLflag=1;/* CTC1 中断服务程序， 12.5us 中断一次 ,用于发射 */void CTC1_INT ( ) interrupt 3VOLCK=VOLCK; cshu+;void CTC0_INT ( ) interrupt 1TR0=0;ET0=0;v

15、oid Timetojuli( ) /* 将测量的时间转换为距离 */ long i; i=(long)time; i=i*340;i=i/2;number4=i/10000000; /* 十米 */ i=i-number4*10000000;number3=i/1000000; /* 米 */ i=i-number3*1000000;number2=i/100000; /* 分米 */ i=i-number2*100000;number1=i/10000; /* 厘米 */ i=i-(long)number1*10000;number0=i/1000; /* 毫米 */uchar getke

16、y(); /* 读键盘 */* 主程序 */ void main() int i, key;init_CTC( );/* 初始化定时器 */init_INT( );/* 初始化外部中断 */CLflag=1;/* 测量标志 */for(i=6;i>4;i-) dispi=0xff;cshu=0;/* 传数 */delay(200);/* 延时 */;IE=0x80;/* 开中断 */ET1=0; ET0=0;TR1=0; TR0=0;TL1=T12us; TH1=T12us;while(1)key=getkey( ); /* 读键盘 */ if(key=0x0fe &&

17、CLflag=1 ) /* 测量 */ key=0; CLflag=0;cshu=0;TL1=T12us; TH1=T12us;TL0 = 0;TH0 = 0; /*定时器 0 的初始时间 */TR0=1;/*启动定时器0，开始记时*/TR1=1;/*启动定时器1，发送信号*/ET1=1;while(cshu<12) ;ET1=0; /* 发十个脉冲串 */TR1=0;delay(95);EX0=1;while(!CLflag);if( cshu>=10 && CLflag=1) Timetojuli( );dispfb();uchar getkey( )char

18、flag;uchar key, keytemp;flag=0;keytemp=P1;if(keytemp=0xff) return(255); else flag=1;delay(100);key=P1;if(key=keytemp) return(key);else return(255);五、实验结果及分析 表2是利用本文的测距仪进行实际测量的结果。由表中数据可见 , 在20 150cm 范围内误差相对较小；小于 20cm 范围内误差较大，这是因为超声波距离 测量存在一定范围的盲区 , 盲区的出现是因为发出信号必须有一个上升时间 , 当 距离太近时计算机系统已不能处理迅速返回的反射波信号 , 所以距离小于 0.2 米 测量误差明显增加。300cm以后的数据误差明显增大 , 这是由于发射功率不够大 , 接收到的信 号很微弱 , 引入了一些干扰因素。但电路引入温度补偿电路后总的实验结果误 差在厘米级 , 基本上可以满足测量要求。实际距离 /cm20.030.040.050.060.070.090.0100.0测